Čo spôsobuje gravitáciu na Zemi?

Väčšina ľudí, vedecky alebo inak, má aspoň hmlistú predstavu, že určitá veličina alebo pojem nazývaný „gravitácia“ je to, čo udržuje objekty, vrátane nich samotných, uviazané na Zemi. Chápu, že toto je všeobecne požehnanie, ale v určitých situáciách už menej - povedzme, keď je posadený na konári stromu a trochu si nie ste istí, ako sa dostať späť na zem bez ujmy na zdraví, alebo pri pokuse o nový osobný rekord v prípade udalosti, ako je skok do výšky alebo tyč klenba.

Možno je ťažké oceniť samotnú predstavu gravitácie, kým neuvidíme, čo sa stane, keď sa jej vplyv zníži alebo vyhladené, napríklad pri sledovaní záberov astronautov na vesmírnej stanici obiehajúcej okolo planéty ďaleko od Zeme povrch. A popravde, fyzici majú malú predstavu o tom, čo nakoniec „spôsobí“ gravitáciu, o nič viac, než povedia komukoľvek z nás, prečo vesmír vôbec existuje. Fyzici však vytvorili rovnice, ktoré popisujú, čo robí gravitácia mimoriadne dobre nielen na Zemi, ale aj v celom vesmíre.

Pred viac ako 2 000 rokmi prišli starogrécki myslitelia s mnohými nápadmi, ktoré do značnej miery obstáli v skúške času a prežili do moderny. Rozpoznali, že vzdialené objekty, ako sú planéty a hviezdy (skutočné vzdialenosti od Zeme, samozrejme, pozorovatelia nemali ako vedomia) boli v skutočnosti navzájom fyzicky viazaní napriek tomu, že pravdepodobne nemali nič ako káble alebo laná, ktoré by ich spájali spolu. Pokiaľ neexistujú iné teórie, Gréci navrhovali, aby pohyby slnka, mesiaca, hviezd a planét boli diktované rozmarmi bohov. (V skutočnosti všetky planéty v tých časoch vedeli, že boli pomenované po bohoch.) Aj keď bola táto teória čistá a rozhodujúca, nebol testovateľný, a preto nebol ničím iným ako záštitou pre uspokojivejšie a vedecky dôslednejšie vysvetlenie.

Až pred asi 300 až 400 rokmi astronómovia ako Tycho Brahe a Galileo Galilei uznali, že na rozdiel od biblických učenia staré asi 15 storočí sa Zem a planéty točili okolo Slnka, a nie aby bola Zem v strede vesmír. To otvorilo cestu pre skúmanie gravitácie, ako sa v súčasnosti chápe.

Jeden spôsob, ako uvažovať o gravitačnej príťažlivosti medzi objektmi, ktorú vyjadril neskorý teoretický fyzik Jacob Bekenstein v esej pre CalTech je rovnako „sila na veľké vzdialenosti, ktorú elektricky neutrálne telá na seba vyvíjajú kvôli obsahu svojej hmoty“. To znamená, zatiaľ čo objekty môžu pôsobiť silu v dôsledku rozdielov v elektrostatickom náboji, gravitácia namiesto toho vedie k sile spôsobenej čírym omša. Technicky vy a počítač, telefón alebo tablet, ktorý to čítate, vyvíjate gravitačné sily navzájom, ale vy a vaše zariadenie s pripojením na internet sú tak malé, že táto sila je v skutočnosti nezistiteľný. Je zrejmé, že pre objekty na škále planét, hviezd, celých galaxií a dokonca aj zhlukov galaxií ide o iný príbeh.

Isaac Newton (1642-1727), ktorý je považovaný za jedného z najskvelejších matematických mysliteľov v histórii a jeden zo spoluautorov vynálezu v oblasti kalkulu, navrhol že gravitačná sila medzi dvoma objektmi je priamo úmerná súčinu ich hmotností a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi ich. Toto má formu rovnice:

kde F_grav je gravitačná sila v newtonoch, m₁ a m₂ sú hmotnosti predmetov v kilogramoch, r je vzdialenosť oddeľujúca predmety v metroch a hodnota konštanty proporcionality G je 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²) / kg².

Aj keď táto rovnica funguje vynikajúco na každodenné účely, jej hodnota sa zníži, keď budú objekty v nej otázky sú relativistické, to znamená popísané masami a rýchlosťami mimo typického človeka skúsenosti. To je miesto, kde prichádza Einsteinova teória gravitácie.

V roku 1905 Albert Einstein, ktorého meno je možno najznámejšie v dejinách vedy a najviac je synonymom výkonov na geniálnej úrovni, vydal svoju špeciálnu teóriu relativity. Okrem iných účinkov, ktoré to malo na existujúce vedomosti z fyziky, to spochybnilo predpoklad zabudovaný do Newtonových pojem gravitácie, čo znamená, že gravitácia v skutočnosti fungovala okamžite medzi objektmi bez ohľadu na ich rozsiahlosť odlúčenie. Po Einsteinových výpočtoch sa zistilo, že rýchlosť svetla je 3 × 10⁸ m / s alebo asi 186 000 míľ za sekundu, stanovilo hornú hranicu toho, ako rýchlo sa dá všetko šíriť vesmírom, Newtonove nápady zrazu vyzerali zraniteľne, aspoň v určitých prípadoch. Inými slovami, zatiaľ čo newtonovská gravitačná teória pokračovala v obdivuhodnom výkone takmer vo všetkých predstaviteľných kontextoch, zjavne to nebol univerzálne pravdivý opis gravitácie.

Einstein strávil nasledujúcich 10 rokov formulovaním ďalšej teórie, takej, ktorá by zmierila Newtonovu základnú gravitáciu rámec s hornou hranicou rýchlosti svetla vnucoval alebo sa zdal vnucovať všetky procesy vo vesmíre. Výsledkom, ktorý Einstein predstavil v roku 1915, bola všeobecná teória relativity. Triumf tejto teórie, ktorá tvorí základ všetkých gravitačných teórií až do súčasnosti, je ten rámcoval pojem gravitácie ako prejav zakrivenia časopriestoru, nie ako silu na se. Táto myšlienka nebola úplne nová; matematik Georg Bernhard Riemann vytvoril súvisiace myšlienky v roku 1854. Ale Einstein takto transformoval gravitačnú teóriu z niečoho, čo má korene čisto vo fyzických silách, do viac teória založená na geometrii: Navrhla de facto štvrtú dimenziu, čas, ktorá by sprevádzala tri priestorové dimenzie, ktoré boli už známe.

Jedným z dôsledkov Einsteinovej všeobecnej teórie relativity je, že gravitácia fungovala nezávisle od hmotnosti alebo fyzikálneho zloženia objektov. To znamená, že okrem iného delová guľa a mramor spadnutý z vrcholu mrakodrapu spadnú smerom k zemi o rovnaká rýchlosť, zrýchlená presne v rovnakom rozsahu gravitačnou silou napriek tomu, že jedna je oveľa masívnejšia ako druhá. (Pre úplnosť je dôležité poznamenať, že to technicky platí iba vo vákuu, kde nie je problém s odporom vzduchu.) Pierko zjavne padá pomalšie ako vrh guľou, ale vo vákuu by to tak nebolo.) Tento aspekt Einsteinovej myšlienky bol dostatočne testovateľný. Čo však s relativistickými situáciami?

V júli 2018 medzinárodný tím astronómov uzavrel štúdiu trojhviezdneho systému vzdialeného 4200 svetelných rokov od Zeme. Svetelný rok je vzdialenosť, ktorú svetlo prejde za jeden rok (asi šesť biliónov míľ), čo znamená, že astronómovia tu na Zemi boli pozorovanie svetelných javov, ktoré sa skutočne vyskytli asi v roku 2 200 p.n.l. Tento neobvyklý systém sa skladá z dvoch malých, hustých hviezd - jednej a „pulzar“ otáčajúci sa na svojej osi 366-krát za sekundu a druhý biely trpaslík - obiehajúci okolo seba s pozoruhodne krátkou periódou 1,6 dni. Táto dvojica zase každých 327 dní obieha vzdialenejšiu hviezdu bieleho trpaslíka. Stručne povedané, jediný popis gravitácie, ktorý by v tomto mohol zodpovedať za vzájomné frenetické pohyby troch hviezd veľmi neobvyklým systémom bola Einsteinova všeobecná teória relativity - a rovnice v skutočnosti zodpovedali situácii dokonale.